Linux | System V 共享内存：工作原理与使用指南

在 Linux 系统中，进程间通信（IPC）是实现多任务环境中不同进程协作的关键技术。在众多的 IPC 机制中，共享内存（Shared Memory）是一种高效的进程间通信（IPC）机制。它允许多个进程共享一个给定的存储区，这些进程可以是父子进程关系或完全无关的进程。共享内存是最快的一种 IPC 形式，因为它允许进程直接对内存进行读写，而不需要数据在内核空间和用户空间之间复制。

一、System V 共享内存概述

进程间通信的本质是让不同进程看到同一个资源。System V 共享内存是一种古老的但依然广泛使用的 IPC 机制，它允许多个进程共享同一块物理内存区域(类似C语言动态库的加载)。这种机制的优势在于，进程可以直接读写内存，无需数据在用户空间和内核空间之间的复制，从而大大提高了数据交换的速度。

二、共享内存的使用方法

核心函数：

1. **shmget()**：创建或获取一个共享内存段。
2. **shmat()**：将共享内存段附加到进程的地址空间。
3. **shmdt()**：将共享内存段从进程的地址空间分离。
4. **shmctl()**：控制共享内存段（如设置权限）。

1. shmget()：创建或获取共享内存段

shmget

函数用于创建一个新的共享内存段或获取对现有共享内存段的访问。如果共享内存段不存在，并且

IPC_CREAT

标志被设置，那么

shmget

将创建一个新的共享内存段。

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

int shmid = shmget(key, size, IPC_CREAT | 0666);

• key：这是一个键值，用于唯一地标识共享内存段。可以通过 ftok 函数从文件路径和项目 ID 生成。

key_t ftok(const char *pathname, int proj_id)
// key_t key = ftok("/tmp", 12345);

• size：这是要创建的共享内存段的大小，单位为字节。
• IPC_CREAT：这个标志表示如果共享内存段不存在，则创建它。
• 0666：这是共享内存段的权限设置，表示所有用户都可以读写共享内存。

2. shmat()：将共享内存附加到进程地址空间

一旦共享内存段被创建，进程可以使用

shmat

函数将其附加到自己的地址空间中。这样，进程就可以通过指针直接访问共享内存。

char *ptr = (char *)shmat(shmid, NULL, 0);

• shmid：由 shmget 返回的共享内存段的标识符。
• NULL：这个参数指定了共享内存附加的地址。如果传递 NULL，系统会自动选择一个合适的地址。
• 0：这个标志用于指定附加操作的行为，通常设置为 0。

3. shmdt()：将共享内存从进程地址空间分离

当进程不再需要访问共享内存时，可以使用

shmdt

函数将其从地址空间中分离。这不会删除共享内存段，只是断开了进程与共享内存的连接。

int shmdt((const void *)ptr);

• ptr：这是通过 shmat 函数获得的指向共享内存的指针。

4. shmctl()：控制共享内存段

shmctl

函数用于控制共享内存段，如获取其状态信息、设置权限或删除共享内存段。

int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

• shmid：共享内存段的标识符。
• cmd：这是要执行的控制操作的命令，如 IPC_STAT 用于获取状态信息，IPC_RMID 用于删除共享内存段。
• buf：这是一个指向 shmid_ds 结构的指针，用于存储共享内存的状态信息或控制命令的参数。

三、共享内存的使用场景

共享内存适用于以下场景：

1. 速度快：因为进程可以直接访问内存，无需数据复制。
2. 简单：使用内存映射文件（memory-mapped files）或系统调用实现。
3. 容量限制：受限于系统内存和进程地址空间。

四、实践指南与注意事项

1. 同步机制：由于共享内存本身不提供同步机制，因此在访问共享内存时，应使用信号量或其他同步手段来避免竞态条件。
2. 内存管理：确保在不再需要共享内存时，及时使用 shmctl 函数删除，避免内存泄漏。
3. 权限控制：合理设置共享内存的权限，防止未授权访问。

五、示例代码：展示如何使用 System V 共享内存获得其他进程放入共享内存的数据

a. 演示代码头文件

mem.hpp

#include <iostream>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <cstdio>
#include <cstdlib>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <cstring>

const char* pathname = "./main.cc";
using namespace std;

b. 创建和使用共享内存

#include"mem.hpp"

int main()
{
    // 生成内存唯一key值
    key_t key = ftok(pathname, 0666);

    // 创建共享内存段
    int shmid = shmget(key, sizeof(int), 0666 | IPC_CREAT);
    if (shmid < 0)
    {
        cerr << "shmget error" << endl;
        return 1;
    }

    // 将共享内存加载到进程地址空间
    int *ptr = (int *)shmat(shmid, nullptr, 0);
    if (ptr == (int *)(-1))
    {
        cerr << "shmat error" << endl;
        return 2;
    }

    // 分离共享内存
    *ptr = 123;
    cout << "process 1 write> ptr = " << *ptr << endl;
    if(shmdt(ptr) == -1)
    {
        cerr << "shmdt error " << endl;
        return 3;
    }
    sleep(5);

    // 删除共享内存
    if(shmctl(shmid, IPC_RMID, nullptr) == -1)
    {
        cerr << "shmctl error" << endl;
        return 4;
    }

    return 0;
}

c. 另一个进程访问共享内存

#include"mem.hpp"

int main()
{
    // 生成唯一key值
    key_t key = ftok(pathname, 0666);

    // 获取共享内存
    int shmid = shmget(key, sizeof(int), 0666);
    if (shmid < 0)
    {
        cerr << "shmget error " << endl;
        return 1;
    }

    // 将共享内存加载到程序中
    int *ptr = (int *)shmat(shmid, nullptr, 0);
    if (ptr == (int *)-1)
    {
        cerr << "shmat error " << endl;
        return 2;
    }
//
    // 使用共享内存(获得共享内存里的数据)
    cout << *ptr << endl;
//

    // 分离共享内存
    if(shmdt(ptr) == -1)
    {
        cerr << "shmdt error " << endl;
        return 3;
    }

    return 0;
}